董立軍，張國(guó)紅，吳洪勝

(中海油新能源(準(zhǔn)格爾)煤基能源有限公司，內(nèi)蒙古 準(zhǔn)格爾旗 010300)

原巖應(yīng)力的力學(xué)平衡狀態(tài)在煤層開采過程中受到了破壞，使覆巖發(fā)生不同程度的變形、移動(dòng)和破損，造成巖體的滲透性發(fā)生很大變化，從而導(dǎo)致礦井突水等安全事故。因此，研究采動(dòng)條件下圍巖變形特征和圍巖滲透性的變化規(guī)律對(duì)于安全高效及保水開采具有重大理論意義。

文獻(xiàn)[1～4]研究并建立了“橫三區(qū)”“豎三帶”理論、關(guān)鍵層理論等覆巖變形破壞特征的相關(guān)理論。張金才等[5]論述了礦山巖體的采動(dòng)破壞特征和巖體的滲流規(guī)律，探討了巖體滲流與應(yīng)力的耦合機(jī)理。張后全、楊天鴻等[6]研究了煤層頂板的變形、破壞過程以及滲流場(chǎng)在整個(gè)巖體的運(yùn)移過程及其突水前后滲流場(chǎng)的變化情況。隨著采礦工程技術(shù)的進(jìn)步與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，許多學(xué)者應(yīng)用數(shù)值模擬方法對(duì)圍巖的變形損傷和突水機(jī)理進(jìn)行了研究[7-11]。煤炭開采對(duì)地下含水層的破壞問題是一個(gè)應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)相互作用問題[11-15]，本文以老三溝井田6煤工作面為例，采用巖石破裂過程流固耦合分析系統(tǒng)UDEC-Flow，研究覆巖含水層在采動(dòng)條件下的破壞機(jī)理，對(duì)6煤覆巖含水層的保護(hù)進(jìn)行了初步研究，為6煤開采時(shí)覆巖含水層保護(hù)提供理論指導(dǎo)。

1 工作面地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

老三溝井田位于內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾煤田中部礦區(qū)最北端，總體構(gòu)造形態(tài)為一向西微傾的單斜構(gòu)造，絕大部分地區(qū)地層傾角在3°以下。首采6煤層(尚未開采)平均厚度約12 m，欲采用綜放采煤工藝，采3.5 m，放8.5 m，全部垮落法管理頂板，工作面布置長(zhǎng)度240 m，平均埋深530 m，煤層頂、底板主要由粉砂巖、含碳泥巖、粗砂巖、砂礫巖組成。含水層巖性主要為砂、礫巖，隔水層巖性主要為泥巖。含水層均為孔隙潛水，且富水性不均一；隔水層分布較穩(wěn)定，隔水性較好。井田范圍內(nèi)大部被黃土覆蓋，水資源貧乏，地下水補(bǔ)給困難。

2 覆巖移動(dòng)數(shù)值模擬研究

根據(jù)老三溝工作面的具體地質(zhì)條件，建立走向方向的UDEC平面應(yīng)變模型。模型的走向長(zhǎng)度為1000m，高度為550m。模擬6煤層厚度為12m，平均埋深為530m，模擬煤層上方巖層到地表松散層，底板巖層厚度為20m。模型兩側(cè)邊界施加水平約束，可垂直移動(dòng)；底部邊界施加水平和垂直約束；模型的上部邊界為自由邊界；左右面為隔水邊界。同時(shí)在6煤上30m和90m處設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)空隙壓力和滲流速率的變化。計(jì)算模型中煤層及各巖層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。模型采用分步開挖，每次開挖的步距為5m，一共開挖250m。

表1 煤層及各巖層物理力學(xué)參數(shù)

2.1 模擬工作面走向開挖及結(jié)果分析

在工作面推進(jìn)初期，直接頂隨采隨落，覆巖變形移動(dòng)較小，巖體有輕微損傷，采空區(qū)周圍圍巖有裂隙，滲流量略大。

由圖1可知，當(dāng)工作面推進(jìn)到80 m時(shí)基本頂已經(jīng)破斷，在工作面前方產(chǎn)生裂隙，產(chǎn)生滲流通道，其分布范圍主要在層間離層空隙、采空區(qū)后方、工作面前方煤壁處和巖層中部拉伸斷裂處，上覆砂巖含水層受到影響，開始下滲，工作面水量增大，但不會(huì)對(duì)生產(chǎn)造成太大影響。

當(dāng)工作面推進(jìn)到150m時(shí)，已經(jīng)歷了多次周期來壓，關(guān)鍵層已經(jīng)破斷，形成了穩(wěn)定的砌體結(jié)構(gòu)，采空區(qū)上覆巖層已經(jīng)出現(xiàn)離層現(xiàn)象，從圖2中可以看出，隔水層受到采動(dòng)影響，產(chǎn)生離層裂隙，形成了滲流通道，此時(shí)上方砂礫巖含水層空隙水沿著下方裂隙開始下滲，但由于下方巖層為泥巖隔水層，其滲透系數(shù)較低和遇水膨脹性，當(dāng)遇水裂隙開始彌合，同時(shí)隨著工作面的推進(jìn)，采空區(qū)的離層裂隙逐步被壓實(shí)，含水層不會(huì)對(duì)6煤開采工作面造成較大影響。

當(dāng)工作面推進(jìn)到250m時(shí)，雖然覆巖導(dǎo)水裂隙已經(jīng)進(jìn)入了隔水層，但由于隔水層的特殊性質(zhì)，裂隙遇水彌合。含水層水位有所下降，但并未對(duì)6煤開采產(chǎn)生危險(xiǎn)(圖3)。

從圖4中可看出，在6煤上方30 m處，空隙壓力隨著工作面的推進(jìn)逐漸減小，在工作面推進(jìn)到一定程度，空隙壓力不再變化。滲流速率隨著工作面的推進(jìn)不斷增大，當(dāng)增大到一定程度后，突然減小，由此可知開采6煤后上方30 m巖層完全處于垮落帶，當(dāng)工作面推進(jìn)至此監(jiān)測(cè)點(diǎn)前方時(shí)，裂隙開始產(chǎn)生，水開始下滲，空隙水壓降低，流速增大，隨著工作面的推進(jìn)，此處巖層垮落并壓實(shí)，空隙水被排干，空隙壓力和滲流速率趨于穩(wěn)定。

圖1 工作面走向推進(jìn)80 m

圖2 工作面走向推進(jìn)150m

從圖5中可以看出當(dāng)工作面未推進(jìn)到此監(jiān)測(cè)點(diǎn)處時(shí)，空隙壓力和滲流速度基本保持不變，說明6煤開采起初并未對(duì)此產(chǎn)生較大影響，隨著工作面的推進(jìn)空隙水壓逐步增大，滲流速度也同時(shí)增大，其中空隙壓力增大到一定程度后不再變化，滲流速率則逐步減少并趨于穩(wěn)定。由此可知，當(dāng)工作面推至此監(jiān)測(cè)點(diǎn)投影位置時(shí)，裂隙較發(fā)育，上方含水層順此處裂隙下滲，故此空隙水壓及速率均增長(zhǎng)，隨著工作面推進(jìn)，此點(diǎn)處在采空區(qū)，裂隙重新閉合，滲流速率減小。

2.2 模擬工作面傾向開采及結(jié)果分析

從圖6中可以看出在工作面傾向方向，垮落帶高度約為45m，裂隙帶高度約為85m。因此，隔水層、含水層處于裂隙帶范圍內(nèi)，在兩側(cè)的回采巷道上方裂隙較發(fā)育，成為充水通道，此處滲流速率較大，部分水已經(jīng)沿著充水通道進(jìn)入隔水層裂隙當(dāng)中，含水層水位有所下降。

從圖7中可以看出，在6煤開采初期，滲流速率和空隙壓力變化不大，隨著時(shí)間的推移，滲流速度逐步增大，隨后又逐步減小并恢復(fù)原來狀態(tài)，而空隙壓力則逐步增大到一定程度不再變化。

圖3 工作面走向推進(jìn)250 m

圖4 6煤層上方30 m處滲流情況

圖5 6煤上方90m采空區(qū)中部滲流情況

圖6 傾向方向滲流分布

圖7 6煤上方90m處滲流情況

圖8 6煤上方30m處滲流情況

從圖8中可看出，在6煤開采后，隨著時(shí)間推移，滲流速度陡然增大后有減小，最后幾乎為零，而空隙壓力一直減小到零。由此說明此處空隙水受到采動(dòng)影響，完全流失進(jìn)入采空區(qū)。

3 覆巖含水層保護(hù)措施研究

老三溝礦井6煤(尚未開采)開采工藝為長(zhǎng)壁綜放，數(shù)值模擬和物理模擬結(jié)果顯示，6煤開采后的導(dǎo)水裂隙帶高度為130m。以4號(hào)勘探線剖面為例，6煤頂板砂巖裂隙含水層、砂礫巖裂隙含水層及其之間的隔水層均位于導(dǎo)水裂隙帶內(nèi)，受采動(dòng)影響，含水層中發(fā)育的裂隙可能與采空區(qū)貫通，進(jìn)而造成水位下降甚至水資源的流失(圖9)。

由于含水層的層位不一、含水特征不盡相同等特點(diǎn)，對(duì)于不同的含水層的保護(hù)難度也不同[15]。根據(jù)含水層與裂隙帶高度的不同，基于4號(hào)勘探線剖面，將老三溝井田砂礫巖含水層和砂巖含水層的保水開采難度分為：保水開采苛刻級(jí)和保水開采困難級(jí)。對(duì)應(yīng)具體類別如表2所示。

依據(jù)文獻(xiàn)[16]，可行的保水開采技術(shù)應(yīng)滿足：隔水層采動(dòng)裂隙的快速愈合、減少隔水層的采動(dòng)損傷程度及增加隔水層的采動(dòng)保水能力。同時(shí)，結(jié)合上述覆巖含水層流固耦合分析，提出老三溝井田保護(hù)覆巖含水層的開采技術(shù)，將直接指導(dǎo)6煤開采。如表3所示。

圖9 4號(hào)勘探線剖面

表2 老三溝井田保水開采難度分級(jí)

難度等級(jí)對(duì)應(yīng)含水層要求備注保水開采苛刻級(jí)6煤頂板砂巖裂隙含水層含水層及其下隔水層不受到采動(dòng)破壞①意味著采高或等價(jià)采高將大幅縮小,且要求極其嚴(yán)格;②如能實(shí)現(xiàn),其上含水層均可得到保護(hù)。保水開采困難級(jí)砂礫巖裂隙含水層保證其隔水層大部或全部位于裂隙帶之上應(yīng)保證隔水層的隔水連續(xù)性

表3 老三溝井田保水開技術(shù)適用性

4 結(jié)論

1)沿工作面走向和傾向，分別運(yùn)用數(shù)值模擬對(duì)工作面開采后覆巖流固耦合機(jī)理進(jìn)行了分析。分析結(jié)果顯示，隨著工作面的推進(jìn)，裂隙不斷向上發(fā)育，直接頂、基本頂?shù)南嗬^破斷和垮落導(dǎo)致了導(dǎo)水裂隙的形成；同時(shí)隨著工作面的推進(jìn)，先前生成的一些裂隙出現(xiàn)了閉合，而工作面附近產(chǎn)生新的裂隙，其演化過程可歸納為發(fā)展期、貫通期和壓實(shí)閉合期。

走向模擬結(jié)果顯示：在工作面推進(jìn)初期，覆巖變形移動(dòng)較小，采空區(qū)周圍圍巖有裂隙。當(dāng)工作面推進(jìn)到80 m時(shí)，產(chǎn)生滲流通道，其分布范圍主要在層間離層空隙、采空區(qū)后方、工作面前方煤壁處和巖層中部拉伸斷裂處，上覆砂巖含水層受到影響。當(dāng)工作面推進(jìn)到150m時(shí)，隔水層受到采動(dòng)影響，產(chǎn)生離層裂隙，此時(shí)上方砂礫巖含水層空隙水沿著下方裂隙開始下滲，但由于下方的泥巖隔水層及離層裂隙逐步被壓實(shí)，對(duì)工作面開采影響較小。當(dāng)工作面推進(jìn)到250m時(shí)，雖然覆巖導(dǎo)水裂隙已經(jīng)進(jìn)入了隔水層，但由于隔水層的特殊性質(zhì)，裂隙遇水彌合，并未對(duì)6煤開采產(chǎn)生危險(xiǎn)。由6煤上30m處的空隙壓力和滲流速率的監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，開采6煤后上方30m巖層完全處于垮落帶，當(dāng)工作面推進(jìn)至此監(jiān)測(cè)點(diǎn)前方時(shí)，空隙水壓降低，流速增大，隨著工作面的推進(jìn)，此處巖層垮落并壓實(shí)，空隙壓力和滲流速率趨于穩(wěn)定。由6煤上90m處的空隙壓力和滲流速率的監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，當(dāng)工作面推至此監(jiān)測(cè)點(diǎn)的投影位置時(shí)，空隙水壓及速率均增長(zhǎng)，隨著工作面推進(jìn)，此點(diǎn)處在采空區(qū)，裂隙重新閉合，滲流速率減小。

傾向模擬結(jié)果顯示：垮落帶高度約為45 m，裂隙帶高度約為85m。因此，隔水層、含水層處于裂隙帶范圍內(nèi)，在兩側(cè)的回采巷道上方裂隙較發(fā)育，成為充水通道，此處滲流速率較大，部分水已經(jīng)沿著充水通道進(jìn)入隔水層裂隙當(dāng)中，含水層水位有所下降。6煤上90m處的空隙壓力和滲流速率的監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，在6煤開采初期，滲流速率和空隙壓力變化不大，隨著時(shí)間的推移，滲流速度逐步增大，隨后又逐步減小并恢復(fù)原來狀態(tài)，而空隙壓力則逐步增大到一定程度不再變化。6煤上30m處的空隙壓力和滲流速率的監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，在6煤開采后，隨著時(shí)間推移，滲流速度陡然增大后有減小，最后幾乎為零，而空隙壓力一直減小到零。由此說明此處空隙水受到采動(dòng)影響，完全流失進(jìn)入采空區(qū)。

2)依據(jù)老三溝井田具體地質(zhì)條件及數(shù)值模擬結(jié)果，將老三溝井田砂礫巖含水層和砂巖含水層的保水開采難度分為保水開采苛刻級(jí)和保水開采困難級(jí)，并提出了相應(yīng)的保護(hù)措施。對(duì)于保水開采苛刻級(jí)，將采用加快工作面推進(jìn)速度；局部注漿加固、局部降低采高、局部充填；部分開采或高質(zhì)量充填開采法等開采技術(shù)。對(duì)于保水開采困難級(jí)，將采用加快工作面推進(jìn)速度；注漿加固、降低采高、充填開采；部分開采或高質(zhì)量充填開采法(必要時(shí))等開采技術(shù)。

3)由于老三溝井田6煤尚未開采，此次對(duì)6煤覆巖含水層的保護(hù)作出的初步研究，目的是為將來的開采提供指導(dǎo)，同時(shí)該保護(hù)措施將會(huì)在6煤開采過程中得到進(jìn)一步的提高與完善，對(duì)同類開采地質(zhì)條件下的礦井開采提供了參考依據(jù)。

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